闸孔出流与平面冲击射流的水力要素对边界变形响应研究

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在自然界与工程技术中,流动的边界总是或多或少地存在一定的变形。精细模拟边界变形过程;研究流动特征量对边界变形的响应是水力学与河流动力学领域的一项重要研究内容。闸孔出流与平面冲击射流是水利、交通等领域存在的一种实际流动,虽然迄今为止人们已通过实验、数值计算等对其进行过众多的研究,但研究成果要么只关心边界变形过程;要么仅关注流场特征,尚未对边界变形过程中流动水力要素的相应调整进行系统全面的研究。有鉴于此,本文以前人对闸孔出流与平面冲击射流的系列实验成果为基础,通过理论分析与数值模拟对其进行了研究,所得主要成果如下:(1)以明渠流总流机械能方程为基础,提出了闸孔出流急变流段及随后渐变流段的总流机械能损失计算方法。(2)采用雷诺应力模式封闭雷诺时均方程;采用壁函数修正反映边界变形段散粒体对流动的作用,运用以上技术对闸孔出流进行了精细模拟。根据计算成果分别分析了急变流与渐变流段的时均流速、时均压强、紊动能、壁面时均切应力等水力要素的变化特点;获得了闸孔淹没出流过程中流量、总流机械能损失等特征量对边界变形的相应特性,研究成果表明:1)流量对边界变形的响应很微弱,但随着边界的变形总流的机械能损失是逐渐减小的;2)重汇点与最大冲深点的水平距离均随冲刷时间的变化同步逐步减小并趋于稳定。(3)采用前述模拟方法对平面垂向冲击射流进行了精细模拟,分析了冲击面上的时均压强、射流外缘卷吸流量、射流轴线上机械能等对边界变形的响应。研究成果表明:1)随着边界的变形,时均压强逐渐减小,射流轴线上的机械能损失同步增大并趋于稳定;2)在边界变形过程中,在射流前端射流卷吸流量与自由射流相似,在离冲刷坑较近时射流卷吸流量将急剧减小。(4)采用前述模拟方法对平面斜向冲击射流进行了精细模拟,分析了冲击面上的时均压强、壁面时均切应力等对边界变形和入射角度变化的响应。研究成果表明:1)冲击点附近的时均压强随着入射角度的增大不断增大,且在垂向冲击射流时为最大值;2)冲击点附近的壁面时均切应力极值随着入射角度的增大而不断增大,也在垂向冲击射流时达到最大值。
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